Влияние напряжения смещения на точность источника тока

В данной статье мы продолжим обсуждение схемы LTspice, которая помогает нам предсказать, как изменения напряжения смещения повлияют на характеристики схемы источника тока.

В предыдущей статье мы обсуждали, как схема LTspice может помочь нам проанализировать влияние непредсказуемого напряжения смещения на схему прецизионного источника тока. В этой статье мы продолжим это обсуждение, исследуя схему LTspice, которая может помочь нам предсказать, как изменения напряжения смещения повлияют на характеристики схемы.

Анализ распределения напряжения смещения

Ниже показана схема LTspice, которую я представил в конце предыдущей статьи:

Я включил в эту схему напряжение смещения, добавив источник напряжения последовательно с неинвертирующим входом каждого операционного усилителя.

Я хотел создать распределение напряжений смещения, аналогичное распределению для прецизионного операционного усилителя AD8606, и для этого указал типовое значение 20 мкВ для V_os1 и V_os2 и добавил к этому типовому значению гауссову переменную.

Аргументом, передаваемым функции gauss, является стандартное отклонение, поэтому я создал два источника постоянного напряжения со значениями, которые изменяются случайным образом в соответствии с нормальным распределением со средним значением 20 мкВ и стандартным отклонением 50 мкВ.

Нам необходимо подтвердить, что распределение, создаваемое LTspice, согласуется с измеренным распределением напряжений смещения AD8606. Для этого я смоделирую схему, нанесу на график значения напряжения смещения V_os1, сохраню их в файл, импортирую в Excel и изучу гистограмму.

Обратите внимание, что на схеме ниже я изменил оператор ".measure", чтобы он записывал значение напряжение смещения V_os1, а не ток нагрузки.

Если открыть журнал ошибки SPICE с помощью клика правой кнопкой мыши и выбрать «Plot .step’d .meas data», то получим следующий график:

Создание гистограммы

Теперь я могу сохранить эти данные, кликнув правой кнопкой мыши и выбрав File → Export data as text. Я импортировал эти данные в Excel, и в итоге получил 500 различных значений напряжения смещения:

Во-первых, давайте проверим среднее значение и стандартное отклонение, чтобы убедиться, что они аналогичны тем, что должны быть, то есть 20 мкВ и 50 мкВ.

Всё достаточно хорошо; среднее значение составляет 23,9 мкВ, а стандартное отклонение – 48,7 мкВ. Полученные значения были бы ближе к ожидаемым, если бы моделирование включало большее количество прогонов. Например, для 4000 прогонов среднее значение составило 20,8 мкВ, а стандартное отклонение – 50,6 мкВ.

Теперь посмотрим на гистограмму:

При размере выборки в 500 мы определенно не получаем идеального нормального распределения, но когда я сравниваю основные характеристики с характеристиками распределения AD8606 (показаны ниже), я удовлетворен.

Результаты моделирования

Перед выполнением моделирования я восстановил оператор ".measure" в исходное состояние, то есть ".measure I_OUT avg I(Rload)". Ожидаемый ток нагрузки составляет 1 мА. Сначала я запустил моделирование с источниками напряжений смещения V_os1 и V_os2, установленными на ноль; ниже показаны значения смоделированного тока нагрузки для 500 запусков:

Ток нагрузки одинаков для каждого запуска, что совсем не удивительно, поскольку никакие параметры не менялись и, следовательно, в каждом запуске была одна и та же схема. Мы также наблюдаем, что в компонент операционного усилителя встроено какое-то неидеальное поведение, поскольку смоделированный ток нагрузки составляет 999,977 мкА вместо 1 мА. Итак, мы начинаем с ошибкой 23 нА в отрицательном направлении.

Ниже показаны результаты с учетом поведения напряжения смещения:

При первоначальном осмотре видно, что это влияние не было катастрофическим. Средний выходной ток немного сместился, и максимальное отклонение от среднего значения составляет порядка 3 мкА.

Анализ в Excel показывает, что средний выходной ток составляет 1.00068 мА. Наихудшая ошибка (относительно теоретического значения 1 мА) составляет 3,5 мкА в положительном направлении и 2,4 мкА в отрицательном направлении.

Это определенно небольшие ошибки, но они вносят нетривиальный вклад в общую ошибку схемы, особенно если мы сравниваем их с влиянием допуска резисторов и температуры.

В предыдущей статье, установив всем резисторам допуск 0,1% и меняя рабочую температуру от -40°C до +125°C, мы получили максимальное отклонение около +5 мкА / -10 мкА. Здесь же одно только напряжение смещения создало максимальное отклонение +3,5 мкА / -2,4 мкА.

Также мы должны иметь в виду, что AD8606 обладает достаточно хорошими характеристиками относительно напряжения смещения. И в настоящее время выпускается много операционных усилителей, у которых напряжение смещения больше, чем у AD8606.

Заключение

Для моделирования влияния входного напряжения смещения операционного усилителя на точность источника тока, управляемого напряжением, мы использовали источники постоянного напряжения и функцию LTspice gauss. И увидели, что напряжение смещения вносит небольшой, но заметный вклад в общую ошибку выходного сигнала, даже когда схема построена на операционных усилителях, предназначенных для высокоточных приложений.

• Как разработать прецизионный источник тока на операционных усилителях
• Анализ характеристик прецизионного источника тока в LTspice
• Моделирование источника тока при погрешностях сопротивлений резисторов и изменяющейся температуре
• Моделирование изменения напряжения смещения операционного усилителя

Теги